马钢三钢轧炼钢厂房屋盖系统可靠性检测与采取的措施
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作者: 周春宁
【摘 要】马钢第三钢轧总厂炼钢厂房主体为混凝土结构厂房E-F跨30-31柱间有三块屋面板突然塌落，砸落在屋架下部的天车上，为了查明屋面板塌落的原因，找出安全隐患，确保屋面系统的安全，必须对其进行全面地检查、检测，对其可靠性、安全性进行准确评价，提出处理意见。
【关键词】房屋盖系统；可靠性检测；措施
0.前言
马钢第三钢轧总厂炼钢厂房始建于上世纪70年代，70年代末投产。主体为混凝土结构厂房，屋盖系统大多采用预应力混凝土屋架、大型屋面板，其中转炉区域采用钢屋架。2009年6月4日上午，E-F跨30-31柱间有三块屋面板突然塌落，砸落在屋架下部的天车上，所幸并未造成人员伤亡。为了查明屋面板塌落的原因，找出安全隐患，确保屋面系统的安全，必须对其进行全面地检查、检测，对其可靠性、安全性进行准确评价，提出处理意见。
1.2屋架、托架以及天窗架检查
CD 跨转炉区域的托架上支承屋架采用钢结构屋架，其余采用混凝土屋架；DE跨12-16和28-33均采用混凝土屋架；EF跨转炉区域采用钢结构屋架，其他范围采用预应力混凝土屋架。所有托架、天窗架均采用钢结构。
经检查，混凝土屋架未出现显著锈胀裂缝，混凝土表观密实无酥松现象，屋架与排架柱顶连接完好，无显著偏差或支承长度不足现象。
钢构件表面防腐层完好，双角钢的内侧无法进行防腐施工，但从厚度检测情况看，仍满足设计厚度要求，并未显著影响承载力。
1.3屋面支撑检查
屋面支撑采用钢结构。现场检查发现，CD跨24轴附近一处下弦支撑杆件被切断。EF跨30-31柱间一处下弦支撑杆件严重变形。另外水平支撑杆件有下挠现象，部分支撑的角钢在接长时轴线存在角度偏差。
1.4屋面板检查
屋面板采用预应力9m跨大型屋面板，局部更换为钢屋面板。检查发现，部分屋面板存在开裂、渗水现象，更换的钢屋面板出现锈蚀。
1.5天沟板检查
天沟板为预制混凝土板，现场检查发现，绝大多数天沟板下部严重露筋，保护层剥落。下雨时屋面积灰迅速向天沟内淤积，荷载较大，应尽快对天沟板进行更换。
1.6现场检查小结
屋面系统检查结果汇总如下：
（1）屋面板塌落处：1）小钢架未设置竖向支撑，小钢架有明显的倾斜，两侧屋面板搭接长度长短不均。
2）从掉落屋面板的支承节点看，屋面板均为两点焊接，不满足至少三点焊的施工要求。
（2）屋架、托架及天窗架：1）混凝土屋架未出现显著锈胀裂缝，混凝土表观密实无酥松现象，屋架与排架柱顶连接完好，无显著偏差或支承长度不足现象。
2）钢构件表面防腐层完好，双角钢的内侧无法进行防腐施工，但从厚度检测情况看，仍满足设计厚度要求，并未显著影响承载力。
（3）屋面支撑：CD跨24轴附近一处下弦支撑杆件被切断。EF跨30-31柱间一处下弦支撑杆件严重变形。另外水平支撑杆件有下挠现象，部分支撑的角钢在接长时轴线存在角度偏差。
（4）屋面板：部分屋面板存在开裂、渗水现象，更换的钢屋面板出现锈蚀。
（5）天沟板：绝大多数天沟板下部严重露筋，保护层剥落。下雨时屋面积灰迅速向天沟内淤积，荷载较大，应尽快对天沟板进行更换。
2.屋面板塌落原因分析
2.1原因分析
经过现场勘查及分析，屋面板塌落的原因主要有以下几点：
（1）设计缺陷：屋架上再增加小桁架的做法为非标准设计，支承该三块板的小钢桁架自身刚度及稳定性不足。该屋面主体采用预应力钢筋混凝土屋架，上弦在东侧基本为水平布置，为了维持屋面坡度，此处设置钢结构小桁架，其上铺设大型屋面板。屋架的竖向支撑和水平支撑以及系杆均设置在下部钢筋混凝土屋架的上下弦，而小钢架自身平面外并未设置任何支撑杆件，平面外刚度非常小。同时小钢架上弦采用两根75×6角钢，斜杆及竖杆采用两根50×6角钢，截面偏小，杆件刚度差，自身稳定性差。
（2）施工安装偏差：小钢桁架顶部节点位置设置有钢支托支承屋面板，从现场检查看，支托施工偏差较大，小钢架自身有显著的倾斜，造成屋面板支承长度长短不均，支承长度较短的屋面板就比较容易塌落。
（3）环境不利因素：炼钢厂房内热源较多，炼钢过程大量烟气粉尘及高温的长期作用对屋面构件造成侵蚀。根据对我国多个炼钢厂房的调查发现，炼钢车间的屋面板比普通厂房早15-20年出现钢筋锈胀现象，寿命大大减少。
（4）屋面板缺陷：现场检查发现，塌落屋面板最多只有两点焊（要求至少三点焊），所以与小钢架的连接未达到设计的要求，削弱了安全性。同时屋面板存在渗水、开裂现象，部分支座部位酥松，对安全有一定影响。
（5）端部第二柱间效应：塌落位置紧邻该伸缩缝区段的端柱间，在温度作用下，每个温度区段的变形在中部最小，在端开间为最大，而端开间均设置有充足的竖向支撑、水平支撑，刚度较好，抵抗变形能力较强，而紧邻的第二开间则成为变形最大的区间。多次重复的伸缩变形，造成屋面板节点处连接破坏。同时变形大造成该处防水最先破坏，屋面板节点处肋端受干湿影响快速劣化，增加屋面塌落的可能性。
（6）天车振动：天车通过时屋面有显著的振动，当屋面板节点连接不好时，会促使屋面板变形移动，也是破坏的不利诱因之一。
从以上分析可知，影响屋面板安全性的影响因素很多，但最重要的是小钢架的设计构造不合理，在经多年使用后，由于存在施工偏差，在最不利的位置（第二柱间）发生了塌落。
2.2临时处理措施
根据现场检查情况，为了保证目前塌落屋面周围杆件的安全，提出临时处理建议如下：
（1）在塌落屋面板位置沿南北向设置型钢梁，以临时保证屋盖的整体刚度，避免小钢架一端失去屋面板支撑后侧向变形过大引起相邻屋面板塌落。 （2）将屋面板塌落造成破坏的支撑杆件进行恢复，节点处可采用外包套箍的方式进行处理（原节点板如果是采用对拉螺栓固定，可重新按原样进行恢复）。
（3）塌落区域覆盖彩钢板或其他板材，暂时不影响厂房内生产。
（4）在塌落区域四周砌筑一定高度的导流墙，避免雨水进入厂房内部。
（5）由于塌落区域临近板块的支座处混凝土剥落、钢筋外露，施工时应采取对应措施，提醒施工人员注意。并设置围栏，避免人员进入该区域。
（6）在最终屋盖处理方案确定以前，屋面清灰施工人员应注意自身安全，采取必要的安全防护措施。
3.结构可靠性评定
依据《工业建筑可靠性鉴定标准》（GB50144-2008），在本次鉴定现场检查、检测、分析的基础上，对厂房屋盖系统的可靠性评级结果如下：
3.1构件评级
3.1.1安全性评级
混凝土构件的安全性等级应按承载能力、构造和连接二个项目评级，并取其中较低等级作为构件的安全性等级。
钢构件的安全性等级应按承载能力（包括构造和连接）项目评定，并取其中最低等级作为构件的安全性等级。
（1）混凝土屋架外观完好无显著破损或其它缺陷，构造和连接完好，构件安全性评级为a级。
（2）钢屋架、托架以及天窗架未出现导致截面显著削弱的锈蚀，构造和连接完好，构件安全性评级为a级。
（3）屋面板评级参见附录。
（4）小钢桁架平面外无支撑，自身刚度较小，是本次屋面板塌落的主要原因，构造存在严重缺陷，构件安全性评级为d 级。
3.1.2正常使用性评级
混凝土构件的使用性等级应按裂缝、变形、缺陷和损伤、腐蚀四个项目评定，并取其中最低等级作为构件的使用性等级。
钢构件的使用性等级应按变形、偏差、一般构造和腐蚀等项目进行评定，并取其中最低等级作为构件的使用性等级。
（1）混凝土屋架外观完好，无显著裂缝、变形或其它缺陷，构件使用性评级为b级。
（2）钢屋架、托架以及天窗架未出现显著变形或偏差，存在一定程度的锈蚀，构件使用性评级为b 级。
（3）屋面板评级参见附录。
（4）小钢桁架有显著的倾斜，构造存在严重缺陷，构件使用性评级为c级。
3.2屋盖系统评级
3.2.1安全性等级
屋盖系统属于围护系统的一部分，应按承重围护结构的承载功能和非承重围护结构的构造连接两个项目进行评定，并取其中两个项目中较低的评定等级作为该围护结构系统的安全性等级。
由于小钢桁架存在严重构造缺陷，威胁到整个屋盖系统的安全，所以屋盖系统的安全性评级为D 级。
3.2.2使用性等级
围护系统得使用性等级，应根据承重围护结构的使用状况、围护系统的使用功能两个项目评定，并取其中两个项目中较低评定等级作为该围护结构系统的使用性等级。
由于屋面板多处开裂渗水，天沟板严重破损露筋，围护系统使用性评级为C 级。
3.3鉴定单元可靠性综合评级
根据以上项目和结构系统评级结果，对马钢三钢轧炼钢厂房屋盖系统的可靠性鉴定综合评级结果如表6.3.1 所示：
马钢三钢轧炼钢厂房屋盖系统的可靠性评定等级为四级，即其可靠性极不符合国家现行标准规范对可靠性的要求，仍存在安全隐患，影响整体安全，必须立即采取措施。 4.安全性处理意见
由于屋盖存在构造隐患，必须立即对其进行处理。
方案一：
（1）在各温度区段的端开间以及其他设置屋架竖向支撑的开间，临时增设小钢桁架的竖向支撑，在其他开间设置小钢桁架的纵向系杆。以保证小钢桁架的侧向稳定。
（2）一年内安排重新制作小钢桁架，加大其杆件截面，完善小钢桁架的支撑系统，更换其上部的5 列屋面板为钢屋面板。
（3）五年后对未更换的原有屋面板及屋架系统再次进行检测鉴定。
方案二：
（1）将小钢桁架及其上部的5 列屋面板拆除，重新制作小钢桁架，加大其杆件截面，完善小钢桁架的支撑系统，上部更换为钢板屋面。
（2）五年后对未更换的原有屋面板及屋架系统再次进行检测鉴定。
方案三：
（1）将所有大型屋面板及小钢架拆除，重新制作小钢桁架，加大其杆件截面，完善小钢桁架的支撑系统，上部全部更换为钢板屋面。
（2）五年后对屋架系统再次进行检测鉴定。
除了采取方案中的处理措施外，还应采取以下措施维护厂房屋盖系统的安全：
（1）立即对屋面天沟板进行更换。
（2）对被切断的支撑杆件和严重变形支撑杆件进行恢复。
（3）定期组织对屋面积灰进行清理。
5.结束语
通过检测和分析，采用了方案三进行现场隐患处理，效果良好。 [科]
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